陸 雯，張 旭，吳舒海

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

T型地連墻支護結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)地連墻基礎(chǔ)上改進而來，通過在地連墻墻面后增設(shè)扶臂而形成的T型梁式結(jié)構(gòu)。與內(nèi)支撐式、拉錨式等支護結(jié)構(gòu)相比，T型地連墻支護結(jié)構(gòu)具有占用場地少、施工方便、施工工期短等優(yōu)點。本文結(jié)合新溝河江邊樞紐工程實例，對樞紐單雙向泵間地面開挖高差為7.8 m的T型地連墻進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。T型地連墻屬于懸臂式支護結(jié)構(gòu)，對于這種支護結(jié)構(gòu)的計算理論，根據(jù)基坑內(nèi)外土壓力分布及樁端固嵌情況的不同假定，大致分為以下3種[1]：①靜力平衡法；②彈性地基梁法；③有限單元法。針對本工程案例，本文采用后兩種方法分別對T型結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、形變和應(yīng)力分布進行計算。首先，根據(jù)抗彎剛度等效的原理，提出一種將T型地連墻置換成矩形截面后運用彈性地基梁法(m法)計算內(nèi)力的簡化方法。其次，再運用ANSYS軟件對T型結(jié)構(gòu)建模，進行三維有限元計算。

1 彈性地基梁計算方法與過程

新溝河江邊樞紐T型地連墻墻面板厚度60 cm，墻后每隔3 m設(shè)一道60 cm厚扶臂。計算時取T型地連墻兩扶壁中點為分界線，3.6 m寬地連墻為單元體，計算結(jié)構(gòu)受力情況。為簡化計算，將T型結(jié)構(gòu)等剛度替換為矩形地連墻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。T型結(jié)構(gòu)抗彎剛度：

(1)

式中：WT型為T型結(jié)構(gòu)懸臂樁抗彎剛度，m3；B為單元體寬度，取B=3.6 m；H為換算同剛度矩形截面高度，m。

圖1 等剛度換算矩形截面梁(單位：cm)

彈性地基梁法是現(xiàn)行規(guī)范推薦的內(nèi)力計算方法，該方法同時考慮了支護結(jié)構(gòu)的平衡條件以及結(jié)構(gòu)自身與土體的協(xié)調(diào)變形，且經(jīng)過多年工程實踐的積累，在地基土水平抗力系數(shù)m的取值方面有了一定的經(jīng)驗，現(xiàn)已成為被工程實際運用最廣泛的設(shè)計方法?；庸こ虖椥缘鼗悍ㄈ挝粚挾戎ёo結(jié)構(gòu)為單元體，作為豎向放置的彈性地基梁?；觾?nèi)側(cè)土體視為土彈簧，土體對支護結(jié)構(gòu)的水平抗力由土彈簧模擬，土抗力僅與支護結(jié)構(gòu)形變有關(guān)[2]。計算簡圖如圖2所示。

圖2 彈性地基梁計算模型

m法土體對支護結(jié)構(gòu)的抗力為：

F=mzy

(2)

式中：m為水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；z為地面以下深度，m；y為計算點處支護結(jié)構(gòu)水平位移，m。

基坑開挖面以下彈性地基梁撓曲微分方程為：

(3)

式中：EI為支護結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，kN·m2；y為支護結(jié)構(gòu)的水平位移，m；z為計算深度，m；ea(z)為計算深度處的荷載強度，包括水平抗力及外荷載，kN；m為水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；b為計算寬度，m。

對于懸臂式支護結(jié)構(gòu)，可以將開挖面以上水平外荷載等效為開挖面處的水平集中荷載以及力矩，參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》得出開挖面以下部分的內(nèi)力及位移，并根據(jù)內(nèi)力協(xié)調(diào)變形原理，得到樁頂最大位移。新溝河延伸拓浚工程江邊樞紐工程由凈寬48 m節(jié)制閘、180 m3/s泵站、Ⅴ級船閘以及魚道組成。其中,單雙向泵間地面開挖高差較大，最大擋土高差為7.8 m，采用T型地連墻支護，地連墻入土長度17 m，墻面板厚度60 cm，墻后每隔3 m設(shè)置一道60 cm厚的扶臂。工程場地土層參數(shù)詳見表1。

表1 土層分布和物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表

根據(jù)計算模型和方法，對新溝河江邊樞紐T型地連墻支護進行內(nèi)力、變形計算。經(jīng)計算樁身最大彎矩5500 kN·m，樁頂最大位移11.4 mm，并根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果按T型梁配置截面鋼筋。計算結(jié)果匯總表見表2，內(nèi)力沿地連墻入土方向分布及T型結(jié)構(gòu)配筋如圖3所示。

表2 地連墻結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總表

2 有限單元法數(shù)值模擬

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有限單元法分析過程大體分為以下幾個步驟：(1)將研究對象離散化。即將給定的連續(xù)體劃分為有限個微小單元體，單元體直接通過節(jié)點連接，各單位體的有關(guān)參數(shù)通過連接節(jié)點具有連續(xù)性。(2)根據(jù)虛功原理，通過單位剛度矩陣建立節(jié)點力與節(jié)點位移的平衡方程。(3)通過單元平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。這個過程包括以下兩個方面：一是將單位剛度矩陣轉(zhuǎn)換成整體剛度矩陣；二是將作用于每個單元上的節(jié)點力轉(zhuǎn)換成總的荷載列陣。從而得到整體平衡方程：[K]{δ}=[R]。(4)引入幾何邊界條件，計算未知節(jié)點位移矢量。(5)由節(jié)點位移矢量計算單元應(yīng)力。

圖3 地連墻彎矩及配筋圖(單位：cm)

鋼筋混凝土T型地連墻選擇SOLID65實體單元，地基土選用SOLID45實體單元。地基土層材料定義根據(jù)表1所示的地質(zhì)資料確定，其中地基土選擇ANSYS提供的D-P彈塑性地基模型來模擬(Drucker-Prager模型根據(jù)D-P屈服準(zhǔn)則定義土體性質(zhì)，運用胡克定律求解彈性變形，塑性理論求解塑性變形，疊加求得總變形量)[3-4]。通過外部導(dǎo)入實體模型的方式將已經(jīng)建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 T型地連墻實體模型

網(wǎng)格劃分采用四面體單元，并應(yīng)用程序提供的智能化控制(SMRTSIZE)的智能網(wǎng)格對實體模型進行劃分，如圖5所示。

圖5 T型地連墻實體模型

網(wǎng)格劃分完成后，對模型定義邊界條件和初始條件，并加載墻后水壓力，而后進行計算，通過ANSYS自帶的后處理程序查看計算結(jié)果，T型地連墻第一主應(yīng)力計算結(jié)果如圖6所示，墻身形變計算結(jié)果如圖7所示。

由計算結(jié)果可知，T型截面頂部拉應(yīng)力最大，最大值約為0.3 MPa；應(yīng)力變化隨地連墻埋深深度向下逐漸減小，并逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。從結(jié)構(gòu)受力角度分析，支護結(jié)構(gòu)下部截面具有優(yōu)化余地。由圖7，T型地連墻墻身變形云圖可知，樁頂最大位移約為2.6 mm，小于傳統(tǒng)彈性地基梁法計算的11 mm的計算結(jié)果。由此可知，采用傳統(tǒng)計算方法所計算出的結(jié)果是偏保守和安全的。

圖6 T型地連墻大主應(yīng)力應(yīng)力云圖

圖7 T型地連墻墻身變形云圖

3 結(jié) 論

T型地連墻支護結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)矩形平面地連墻，具有自身剛度大、抗彎能力強、樁頂位移小等優(yōu)點。本文首先采用傳統(tǒng)彈性地基梁法對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算，通過ANSYS有限元軟件對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與形變進行計算。并得出以下幾點結(jié)論：

(1)新溝河江邊樞紐工程的實際檢驗是比較適用和偏安全的。

(2)從結(jié)構(gòu)受力角度分析，支護結(jié)構(gòu)下部截面具有優(yōu)化余地，在今后的工程設(shè)計中可進一步研究與優(yōu)化。

(3)有限單元法計算的形變結(jié)果小于傳統(tǒng)彈性地基梁法計算結(jié)果，傳統(tǒng)計算方法是偏保守和安全的。

[1] 龔曉南. 深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1998.

[2] 劉國彬, 王衛(wèi)東. 基坑工程手冊[M].第2版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

[3] 侯明勛，房螢光，胡桂銜，等.基于ANSYS的地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值模擬[J].科技技術(shù)與工程, 2011,11(32):8073-8076.

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